天津市典型农田排水小区排涝模数 试验研究

(天津市水利科学研究院，天津 300061)

目前使用的《天津市平原地区农田除涝水文手册》编制于2003年，十几年来气候和下垫面已经发生了变化。气候变化使得全球范围内水循环过程加剧，降水量、蒸发量等水文水资源要素发生改变，降水时空分布更加不均匀[1-2]；城市化进程的加快、设施农业迅速发展导致了不透水面积增大，对雨水下渗、地表蒸发、土壤水分状况以及流域产流机制产生了十分重要的影响，这些因素引起排涝模数的改变，而合理的排涝模数，对降低农田涝灾损失具有现实意义[3]。因此，在天津市选择有代表性的农田排水小区，结合北方平原区农田产流特性，采用合理方法对排涝模数进行研究，分析环境变化对农田排涝模数的影响，为天津市农田排涝模数的修订提供技术支撑。

1 典型排水小区选择及水文数据采集

为了研究天津市农田排水小区排涝模数，通过现场勘察，遴选出两个代表不同农田土地利用现状且封闭的典型农田排水小区，其分别位于西青区张家窝镇和宁河区丰台镇。西青区张家窝镇排水小区，面积0.507km2，排水小区地势平坦，以种植设施农业与经济林木为主，2008年设施农业面积占排水小区总面积的7%，2011年底，设施农业占地面积进一步扩大，占排水小区总面积的15%，目前，设施农业占排水小区总面积的比例达到41%。宁河区丰台镇排水小区，面积2.93km2，紧邻蓟运河，为蓟运河故道所包围，排水小区下垫面比较单一，长期以来一直为农业用地。土壤疏松湿润，以黏性为主，地下水位浅，存在板结现象。排水小区地表平坦无起伏，以大田作物为主。

在排水小区布设超声流量计、自动雨量站、智能墒情监测站、地下水位监测系统和脉冲型雷达水位计等设备，分别量测排水小区泵站排水量、降水量、土壤含水量、地下水位及河道水位等水文数据。通过量测，西青区张家窝镇排水小区共采集到8场降水数据，宁河区丰台镇排水小区共采集到5场降水数据，并采集到对应降水时段的泵站排水量、土壤含水量、地下水位、河道水位等实测数据，为排涝模数的计算提供了必要的基础数据。

2 产流模型的构建

我国水文研究者分析改进了降雨-径流相关图，创建了以新安江模型为典型的蓄满产流模式和以Horton模型为代表的超渗产流模式[4]，该产流理论对于流域面积大小无特殊要求，所需数据较易获得，可用于小尺度平原地区产流计算，但对于多数流域，并不单只有一种产流模式，天津地处北温带半干旱半湿润季风气候区，通常两种产流方式交叉存在，结合天津市平原区农田的产流特性，充分考虑在北方平原区可能同时发生超渗和蓄满产流现象，建立了超渗-蓄满垂向耦合产流模型，计算典型农田小区的产流量。超渗-蓄满垂向耦合产流模型流程见图1。

图1 超渗-蓄满垂向耦合产流模型流程图注 WM——土壤平均蓄水容量，mm；B——蓄水容量—面积分配曲线的指数；β——旱地及非耕地等透水面积流入沟渠的径流分配系数，根据农田实践经验，取值为0.3；IMP——不透水面积所占比例；WU——上层土壤含水量，mm；WL——下层土壤含水量，mm；WD——深层土壤含水量，mm；EL——下层土壤蒸散发量，mm；EU——深层土壤蒸散发量，mm。

采用有更好鲁棒性的Sobol’敏感性分析方法，通过模型参数的一阶敏感度、总敏感度和二阶敏感度分析，确定产流模型的敏感性参数；模型参数率定采用参数优选中最有效的SCE-UA算法[5]，通过参数自动率定与人工率定结合法，得到优选参数；选取径流深相对误差、地下水位相对变化量与土壤含水量变化量的相对误差和Nash效率系数为指标，模拟结果的有效性系数均在0.6以上，相对误差均在±20%之内，模型具有较好的适用性。

3 气候变化对排涝模数影响分析

为研究气候变化对排涝模数的影响，利用宁河站降水量月值数据(1964—2015年)、塘沽站降水量日值数据(1959—2016年)和海河闸站蒸发量月值数据(1960—2015年)，采用线性滑动平均法、累积距平法、Mann-Kendall 趋势分析法等趋势检验方法，采用Mann-Kendal突变检验法、滑动t检验法、Lee-Heghinian法等突变检验方法对系列进行诊断，确定降水量及蒸发量的变化趋势及变异年份，推求设计暴雨过程；采用假设情景法、时间类比法、实景对比法三种方法进行气候情景设计，应用超渗-蓄满垂向耦合产流模型计算得到不同气候情景下的农田排水小区的产流量，采用平均排除法计算得到不同情景下的排涝模数。

以实测降水和蒸发输入作为对照组，设计降水变化±5%、±10%、±15%，蒸发变化±0.05mm、±0.10mm、±0.15mm，进行交叉组合，研究降水、蒸发两个因素同时变化对排涝模数的影响。不同气候组合下10年一遇的排涝模数计算结果及其变化值见表1。

表1 不同气候组合下10年一遇排涝模数模拟结果及变化率

由表1可知，以降水增加5%、10%、15%为例，十年重现期排涝模数分别增加0.003m3/s/km2、0.005m3/s/km2、0.007m3/s/km2。在土地利用状况不变的情况下，两种方案下排涝模数变化较小，总体上气候变化对排涝模数的影响很小。

4 设施农业对排涝模数影响分析

为研究设施农业对排涝模数的影响，利用西青站降水量月值数据(1990—2015年)和西青站蒸发量月值数据(2016—2017年)，采用线性滑动平均法对降水系列进行诊断，推求设计暴雨过程，用不同设施农业占地比例进行情景设计，应用超渗-蓄满垂向耦合产流模型计算得到不同设施农业情景的排水小区产流量，进而计算出不同情景下的排涝模数，并与《除涝手册》中的排涝模数进行了对比。不同设施农业占比下、不同重现期排涝模数计算结果分别见表2和图2。

表2 不同设施农业占比下四种重现期排涝模数计算结果

图2 不同重现期下设施农业占比对排涝模数影响趋势

由表2与图2可知，在相同重现期下，随着设施农业占比增加，排涝模数逐渐增大，且与原排涝模数相比，增大的幅度也逐渐变大。以十年重现期计算结果为例，当设施农业所占比例为10%、50%、90%时，排涝模数分别为0.461m3/s/km2、0.503m3/s/km2、0.545m3/s/km2，与2003年《除涝手册》中的排涝模数相比，增幅分别为0.88%、10.08%、19.26%。

在相同设施农业占地面积下，排涝模数总体趋势是随着重现期增长而增大，但是增大的幅度逐渐变小，即3年一遇时，排涝模数增大幅度最大，20年一遇时，排涝模数增大幅度最小。其中当设施农业占地为10%，不同重现期下的排涝模数为0.185～0.678m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加1.65%～0.09%；当设施农业占地为20%，不同重现期下的排涝模数依次为0.192～0.681m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加5.63%～0.64%；当设施农业占地为30%，不同重现期下的排涝模数为0.202～0.691m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加10.88%～2.13%；当设施农业占地为40%，不同重现期下的排涝模数依次为0.211～0.702m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加16.09%～3.63%；当设施农业占地为50%，不同重现期下的排涝模数依次为0.221～0.712m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加21.34%～5.12%；当设施农业占地为60%，不同重现期下的排涝模数依次为0.230～0.722m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加26.58%～6.62%；当设施农业占地为70%，不同重现期下的排涝模数依次为0.240～0.732m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加31.83%～8.11%；当设施农业占地为80%，不同重现期下的排涝模数依次为0.249～0.742m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加37.04%～9.60%；当设施农业占地为90%，不同重现期下的排涝模数依次为0.259～0.752m3/s/km2，与原排涝模数相比，排涝模数增加42.29%～11.10%。

西青排水小区现状设施农业占地比例为41%情况下，排水小区的排涝模数与《除涝手册》中的排涝模数相比有了较大增幅，增大幅度随设计重现期增大而减小。5年重现期排涝模数增幅9.02%，10年重现期排涝模数增幅7.44%。

5 结 语

通过在遴选出的两个排水小区量测所需的水文数据，结合北方平原区农田产流特性，充分考虑在北方平原区可能同时发生超渗和蓄满产流现象，构建出超渗-蓄满垂向耦合产流模型，设置了多种情景方案，研究气候变化及设施农业对排涝模数的影响，并与天津市《除涝手册》中的排涝模数进行对比分析，主要结论如下：

a.针对北方平原区农田产流特性，构建的超渗-蓄满垂向耦合产流模型，具有较高的模拟精度和较好的适用性。

b.在土地利用状况不变的情况下，气候变化对排涝模数的影响很小。

c.设施农业的发展对排涝模数影响较大，设施农业占地比例一定时排涝模数增大幅度随设计重现期增大而减小。排水小区现状设施农业占地比例情况下，3年、5年、10年、20年重现期较《除涝手册》中的排涝模数增幅分别为16.48%、9.02%、7.44%、3.84%。